Sbírka fyzikálních pokusů

Tepelná vodivost plastu a kovu II.

Pokus číslo: 1586

• Cíl pokusu

  V tomto pokusu budeme vizualizovat prochlazování kovové a plastové destičky; cílem je poukázat na rozdílnou tepelnou vodivost těchto materiálů.

• Teorie

  Viz teorie u již popsaného pokusu: Tepelná vodivost plastu a kovu I., Teorie.

• Pomůcky

  Termovizní kamera, kovová a plastová destička přibližně stejných rozměrů, dva kelímky s ledem.

• Postup

  Položíme současně jeden kelímek na kovovou a druhý na plastovou destičku a po dobu cca 100 sekund sledujeme obě destičky termovizní kamerou. Zatímco kovová destička se za tuto dobu téměř rovnoměrně prochladí, plastová sníží svoji teplotu pouze v místě kontaktu s kelímkem – plast coby tepelný izolant neumožní prohřátí ochlazovaného místa přivedením tepla z okolí.

• Vzorový výsledek

  Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Napravo je vždy umístěna kovová destička, nalevo plastová destička.

  Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 16 °C až 22 °C, emisivita ε = 0,95.

• Technické poznámky

  Viz technické poznámky u pokusu Tepelná vodivost plastu a kovu I.

• Metodické poznámky

  Velkou pozornost je třeba věnovat interpretaci experimentu. Naše vizualizace může vést k dojmu, že stejně tak, jako se materiálem šíří teplo, se jím může šířit i cosi jako „chlad“. Měli bychom si být vědomi toho, že bez dostatečného vysvětlení můžeme posílit v žácích miskoncepci, že teplo a „chlad“ jsou dva nezávislé fyzikální fenomény, pomáhající nám vysvětlovat různé jevy v různých situacích. Proto bychom měli při experimentu zdůraznit, že v případě kovové destičky nejde o „šíření chladu z kelímku“, ale o „odebírání tepla kelímkem“.

• Provedení pokusu bez termovizní kamery

  Termovizní kamera je velmi nákladnou pomůckou, experiment lze ale provést s použitím mnohem dostupnější termocitlivé folie, kterou lze sehnat pod označením vratná teplotní nálepka (folie použité v tomto konkrétním experimentu byly objednány na webu firmy OMEGA). Termocitlivou folii položíme pod plastovou a kovovou destičku (viz obr. 1), odpadá nutnost opatřovat lesklé povrchy nátěrem.

  

  V našem experimentu byla použita termocitlivá folie pracující v teplotním rozsahu 20 °C až 25 °C. Při pokojové teplotě (cca 22 °C) je tato folie světle zelená, při ochlazování tmavne přes hnědou barvu dočerna. Výsledek experimentu při jejím použití ukazuje obr. 2 (kovová destička byla opět napravo, plastová nalevo).

  

• Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF

  Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.

• Upřesnění teorie - o tepelné difuzivitě

  Pokud bychom chtěli být zcela přesní, popisuje rozložení teploty nikoliv tepelná vodivost, ale teplotní vodivost, také někdy označovaná jako tepelná difuzivita α, [α] = m²·s⁻¹. Tato veličina v sobě spojuje tepelnou vodivost λ, měrnou tepelnou kapacitu c a hustotu látky ρ vztahem:

  \[\alpha\,=\,\frac{\lambda}{c\varrho}\]

  Čím je hodnota tepelné difuzivity vyšší, tím lépe je homogenní látka schopna vyrovnávat rozdíly teploty ve svém objemu při neustálém šíření tepla vedením. Tabulka níže ukazuje tepelnou difuzivitu některých látek (při teplotě 20 °C); v kapalinách a plynech nemá velký smysl se difuzivitou zabývat, neboť zde dominuje tepelná výměna prouděním.

  látka	α/m2·s−1
  měď	11,3·10−5
  hliník	9,8·10−5
  mosaz	3,7·10−5
  železo	2,3·10−5
  sklo	3,4·10−7
  polystyren (nepěněný)	9,2·10−8

  Je patrné, že mezi tepelnou difuzivitou kovů a plastu jsou řádové rozdíly.